1、燃料电池控制技术介绍陈凤祥博士生导师/副教授同济大学汽车学院燃料电池系统集成与控制研究所2019年7月18日同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所大纲1.燃料电池系统基本原理2. 空气供应系统控制技术3. 氢气供应系统控制技术4. 水热管理系统控制技术5. 电堆内部状态诊断技术同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所个人介绍2008年1月毕业于上海交通大学/自动控制专业，获博士学位研究方向：氢燃料电池发动机的建模/控制/集成技术发表论文：近100篇，其中SCI 论文20篇发明专利：授权发明专利11项承担项目：国家自然基金/国家863/科技部重大仪器专项/国家科技支撑计划等项目/十三五重大专项陈凤
2、祥， 男， 1978年，同济大学/汽车学院 博士生导师/副教授基础领域：控制理论与控制工程、人工智能邮箱：手机：13918413603同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所1.燃料电池系统基本原理 电催化反应原理电催化反应原理 单电池结构组成单电池结构组成特点:1)效率高(60%)2)零排放(仅生成水)3)噪声小4)温度低(80度左右)5)启动快同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所1.燃料电池系统基本原理 电堆电堆通常情况下，单节燃料电池的工作电压在 0.6 0.7 V。为达到应用所需的电压和功率要求，需将多个单电池串连在一起组成电堆，如上图所示：一定数量的MEA、双极板和密封件交替重复叠放
3、在一起，两端再分别加装集流板、绝缘板和端板，在一定的压力下组装即可 。类似于电池干电池串联同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所1.燃料电池系统基本原理膜电极 membrane electrode assembly (MEA)由电解质膜（PEM）和分别位于其两侧的气体扩散层电极（GDE）或催化剂涂覆膜（CCM）和分别置于其两侧的气体扩散层（GDL）通过一定的工艺组合而成。质子交换膜催化层微孔层扩散层 膜电极（膜电极（MEA）同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所1.燃料电池系统基本原理典型FCV 动力系统拓扑结构图FCDC/DCControllerMotorBatteryH2Air（混合型燃料
4、电池汽车，FC作主动力源，电池为辅助电源）同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所1.燃料电池系统基本原理温度温度压力压力流量流量湿度湿度同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所2. 空气供应系统控制技术同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所空气供应系统拓扑结构电堆控制器空压机中冷器和加湿器空气过滤器背压阀大气大气SS空气流量空气压力背压阀控制信号空压机控制信号空气流动方向S传感器同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所关键问题1：空气供应背压和流量的相对独立控制对策：全工况范围内（高海拔，高功率，低功率）的空气背压和流量的自适应鲁棒解耦控制技术同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所系统辨识同济大学
5、 燃料电池系统集成与控制研究所系统辨识序号1234567300040005000600070008000900035404550556065ini辨识点：同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所控制器设计同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所控制器设计空气系统控制： 传统的PID控制难以有效解决压力与流量环路间的相互影响，需进行解耦流量控制器流量设定压力设定N21N12压力控制器前馈补偿解耦器系统G11(s)G21(s)G12(s)G22(s)y2y1u1u2v2v1同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所离心式空压机喘振空压机的实际工作点在喘振线附近。一旦工作点落入喘振区，空气供气流量和压力会大
6、幅波动，从而可能导致电堆缺氧，阴阳极压差过大致使膜破裂，空压机损坏等后果。喘振线同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所3. 氢气供应系统控制技术同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所压力控制关键问题 1：阴阳极压差处于合理范围内对策：通过高速电磁阀实现阳极压力快速随动控制PEMFCHydrogen TankReducing ValvePurge ValveNozzleHigh speedSolenoid valve共轨系统同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所压力控制基本框架AnodeC(s)1( )C s2( )C sihPurge( )r tCurrent loadRoundCommon
7、rail0( )C su u前馈：解决电流扰动和排氢扰动堆压力波动的抑制问题整形：解决跟随控制的超调问题整形前馈前馈反馈反馈：解决系统不确定性问题同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所压力控制效果020040060080010001200020406080100Time(Sec.)Pressure(kPa) Cathode PressureAnode Pressure5205305405505604550556065Time(Sec.)Pressure(kPa) Cathode PressureAnode Pressure某系统（60KW）实测氢气压力跟随控制效果同济大学 燃料电池系统集成与控
8、制研究所阳极循环关键问题 2：阳极流道内气体（水气、氢气、杂质）分布尽量均匀对策：加大阳极氢气循环（引入氢气循环泵或引射器或二者结合）循环装置的引入同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所引射器基本原理引射器原理结构图引射器仿真与试验引射比利用氢气的压力能有效转化成循环气体的动能，最终在全工况范围内实现氢气无源循环，额定点达到100%的循环比；利用计算机寻优技术，给定系统电堆边界条件，实现引射器自动优化；同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所4. 水热管理系统控制同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所水热管理系统的目标1. 电堆冷却液进出口温度不超过102. 电堆冷却液出口温度不超过设定范围3.
9、 冷却回路的电导率不超过5us/cm同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所温度控制的常用方法冷却液出口温度：设定751. 低于60冷却液走内循环2. 高于60冷却液走外循环 通过控制风扇转速来达到设定温度的控制 冷却液流量控制条件：1）匹配系统压力；2）电堆冷却液出入口温度梯度电堆T入口温度T出口温度T电堆散热器水泵T环境温度同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所丰田公司湿度控制的基本原理1. 氢气和空气注入的逆流配置2. 质子交换膜变薄，气体扩散层改性3. 减少空气入口的膜中水的蒸发量4. 加大阳极氢气循环5. 改变空气供应的压力和流量同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所丰田在2014年上
10、市的Mirai燃料电池汽车上取消了加湿器,这也是目前全球燃料电池汽车唯一一款取消加湿器的FCV。体积下降：15L； 重量降低：13kg同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所内阻的控制（膜中含水量调节）吹干正常加湿空气压力低调整高空气流量大调整小冷却液温度 偏高恒定偏低正常模式吹干模式加湿模式200mR180mR200mR220mR通过状态转移的方式控制： 空气压力，空气流量，冷却液的温度，来实现对内阻（膜中水含量的实时控制）同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所5. 电堆内部状态诊断技术同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所状态软估计一般框架实际系统观测器uy yex x+-利用输出偏差信息进
11、行不可测量的状态重构00yyxx1. 燃料电池膜中湿度估计2. 膜的氢气渗透率估计3. 阳极氢气浓度估计同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所Kalman滤波XXUABZXH, -1-1, -1kk kkk kkkkkkkXAXBUWZH XV模型测量信息融合同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所常规滤波方法卡尔曼滤波（KALMAN FILTER)扩展卡尔曼滤波(EKF）无迹卡尔曼滤波(UKF）基于非线性控制理论设计的状态观测器线性系统非线性系统Kalman filter 的推广同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所内阻与水含量的关系1. 膜中水含量和电堆内阻存在特定的函数关系2. 通过膜中水含量的多寡可以判定系统是膜干还是膜湿，这为后续的水含量的控制提供了基准。水含量电导率不同温度下，膜的电导率和水含量关系同济大学 燃料电池系统集成与控制研究所谢谢
